模拟示波器的基本工作原理

模拟示波器的基本工作原理1．回顾中学的沙漏实验——随时间变化的信号如何在平面展示物理学理论可以证明，一端通过细绳固定的重物在作摆动时，与中心垂线的距离满足正弦波规律。沙漏实验可以清晰地显示这个随时间变化的波形：用沙漏充当重物，并且在沙漏底下的桌面上平铺一张纸，当沙漏开始摆动时，让纸匀速移动。这样，沙漏中流出的细沙，就在纸上留下了一个正弦波痕迹，如图1.1.3所示。利用这种设计思想，可以完成波形在平面上（对应于时间的流动）的展开。这种设计思想在波形记录、显示中被广泛采用，比如心电图机，就是用原地摆动的电热针，在匀速移动的记录纸带上描记出心电波形。利用心电图机的结构，已经可以记录电压信号，但是，示波器在大量的应用中，并不需要通过消耗纸张来记录波形，而仅仅是观察波形。因此，可以重复使用的荧光屏，被应用到示波器的设计中。2．在示波器上描绘一条曲线——电子枪和荧光屏在一个封闭玻璃管显示屏的内壁涂上荧光粉，当荧光粉被大量电子形成的电子束轰击时，会发出荧光。可以发出电子束的设备称为电子枪，它可以连续地发出集束性很强的电子。这些电子束在飞行过程中，如果遇到电场的作用，会因电场形成的力而改变运行方向，导致最终电子束落到荧光屏上的位置发生改变，也就是光点改变。根据这个原理制造的示波管，其结构如图1.1.4所示。图中电子枪发出的电子束，经过两个偏转板的作用，会在X、Y两个方向上发生偏转。当在Y偏转板上加入被测信号，而在X偏转板上不加电压，可以在示波管的荧光屏上看到光点随着被测电压的变化而发生位置变化——电压越大，光点位置越靠上方。当在X偏转板上加入一个锯齿波，而在Y偏转板上不加电压，可以看到光点从荧光屏左边出现，匀速移动到右边，然后又迅速在左边重复出现。当在X偏转板上加入一个锯齿波，而在Y偏转板上加入一个正弦波，则可以看到，光点在匀速左移的同时，其Y方向位置出现了正弦变化的规律，也就是说，光点的移动轨迹是一个正弦波。荧光屏光点X偏转板Y偏转板电子枪电子束3．怎样将周期性电压信号稳定地显示于荧光屏？白纸匀速移动图1.1.3沙漏摆动留下的正弦波图1.1.4示波管的结构示意图仅靠电子枪、X偏转板、Y偏转板和荧光屏，还不能将被测信号稳定地显示在示波器的荧光屏上。当X轴偏转板上加入周期性的锯齿波时，而Y轴偏转板上加入被测的正弦信号，示波器的荧光屏上会出现如图1.1.5所示的波形。由于X轴偏转板的锯齿波频率为机内产生，肯定无法保证其与外界被测信号频率同步，因此，就出现了每个锯齿波的起点，对应的被测正弦波的相位不一致。这样，观察者在示波器上看到的波形好像是在滚动，并且多个波形交错重叠。这种波形显示，是难以完成观察者记录波形、测量波形的任务的。只有准确控制X轴偏转板上的锯齿波电压的触发时刻，使其在被测信号的相同初相角处发出，才能够使得被测波形在荧光屏上准确重叠，获得稳定的波形显示。如图1.1.6所示。示波器内部的电路，通过下述方法，可以检测出被测信号在每个周期中，相同的初相角时刻。在一个周期性信号中，相同初相角的时刻，各个周期的电压信号具备如下特征：它们的瞬时电压相等，并且它们上升或者下降的特征相同。在图1.1.6中，被测信号在○1～○6时刻，具有相同的特征：都是以上升的方式经过0V电压。示波器内部，用微分电路可以区分被测信号上升或者下降，用比较器配合外部的电压设置，可以判断被测信号是否经过这个比较电压（比如图中的0V）。这样，再经过一套逻辑电路，可以在被测信号具有相同初相角的时刻，控制X轴偏转板，发出一个锯齿波。这种利用被测信号的周期性，在相同初相角时刻，触发X轴锯齿波扫描信号，使得波形被重叠、稳定地显示于示波器荧光屏的技术，称为同步触发扫描。图中，锯齿波在○1～○6时刻满足触发条件，但仅在○1、○3、○5时刻被触发，是因为在○2、○4、○6时刻，此前的锯齿波尚未扫描结束。因此，在示波器外部面板上，有控制被测信号在电压多大时触发锯齿波产生的电平旋钮，英文标识为Level，这个电压称为触发电平。有控制被测信号是上升或者下降经过Level电压的选择开关，英文标识为Slope为了更加清晰地表述触发扫描中，各个控制开关和旋钮对波形显示的影响，图1.1.7～图1.1.11给出了几个实例。请读者将这些图和图1.1.6作比较。○1○2○3○4○1○2○3○4Y轴偏转板被测信号X轴偏转板锯齿波示波器的荧光屏图1.1.5自动触发引起的被测波形滚动○1○2○3○1○2○3Y轴偏转板被测信号X轴偏转板锯齿波示波器的荧光屏图1.1.6根据被测信号触发X轴锯齿波可以稳定显示波形○1○2○3○4○5○6○1○2○3○1○2○3Y轴偏转板被测信号X轴偏转板锯齿波示波器的荧光屏图1.1.7改变触发电平对波形显示的影响○1○2○3○4○5○6LevelSlope:Y轴偏转板被测信号X轴偏转板锯齿波示波器的荧光屏图1.1.8触发电平太高或太低，无法触发锯齿波，无波形显示LevelSlope:4．怎样实现双踪波形显示？一般来说，一个示波器只有一套电子枪系统。而在日常测量中，经常需要比较两个或者两个以上被测信号之间的相位，这就需要示波器能够同时完成两路被测信号的显示。这就叫双踪显示。示波器完成双踪显示的方法有两种，分别叫交替显示(ALT)、断续显示(CHOP)。它们都是利用人眼的视觉暂留现象实现的。这一点，类似于计算机的多任务分时操作，利用设备的高速性能和人对事物观察的缓慢，让观察者察觉不到设备内部的分时操作。1）交替显示所谓交替显示，就是Y轴偏转板上以触发扫描的锯齿波为节拍，交替接通两路被测信号。如图1.1.12所示，○1号锯齿波周期内，Y轴偏转板上为通道1的正弦波，电子束在荧光屏上扫出一个正弦波片断，○2号锯齿波开始，Y轴偏转板立即接通通道2的三角波，电子束又重新在荧光屏上扫出一个三角波片断，如此往复，就在荧光屏上得到了正弦波和三角波的同时显示。在交替显示中，负责切换两个通道信号的电子开关，是以触发后的锯齿波为节拍的。因此，当被测信号频率较低时，肉眼可以看出这种切换，不利于波形的稳定显示。所以，此时一般使用断续方式实现双踪显示。○1○2○3○1○2○3Y轴偏转板被测信号X轴偏转板锯齿波示波器的荧光屏图1.1.9将上升沿触发改为下降沿触发引起的显示波形改变○1○2○3○4○5○6LevelSlope:○1○2○3Y轴偏转板被测信号X轴偏转板锯齿波示波器的荧光屏图1.1.10提高锯齿波扫速对波形显示的影响○1○2○3○4○5○6LevelSlope:○1○2○3○4○5○6○4○5○6○1○2○1○2Y轴偏转板被测信号X轴偏转板锯齿波示波器的荧光屏图1.1.11降低锯齿波扫速对波形显示的影响○1○2○3○4○5○6LevelSlope:2）断续显示在断续方式中，Y轴偏转板上的负责切换两个通道信号的电子开关，是以一个较高的、固定的频率，频繁的在通道1和通道2之间切换，以实现对两路信号的同时显示。如图1.1.13所示。通过椭圆小图内的展开波形，可以看到，在一个扫描周期内，电子开关频繁地切换于两个通道，小图内的纵向虚线，是电子开关切换时留下的痕迹，这些纵线的存在将使得显示波形很模糊，因此，示波器采用消隐电路，在电子开关切换的瞬间，关闭了电子枪，使得人肉眼只能看到两条光滑的被测曲线。但是，需要注意的是，当被测信号频率很高时，在示波器上就可以看到每条曲线都是断续的，这也不利于观察。因此，被测信号频率很高时，应该采用交替方式实现双踪显示。5．为什么要进行触发源选择？所谓的触发源，就是触发X轴偏转板产生锯齿波的源信号。当触发源为被测信号本身，示波器可以保证锯齿波的产生与被测信号同步，进而完成显示的准确重叠，也就是稳定。以被测信号本身作为触发源，是模拟示波器基本工作原理的表现。为了增加触发灵活性，以适应更为复杂的测量要求，实际的示波器中，都可以对触发源进行灵活选择。几乎所有的模拟示波器都具有内触发和外触发选择。所谓外触发，是指触发源来自示波器的外触发端子，而内触发则指触发源来自被测信号、机内获得了工频电压信号等。当触发源选择开关置于外触发时，示波器内部的触发电路将从外触发端子取信号和触发电平比较，产生锯齿波。用外触发控制锯齿波的产生，可以用于两个信号的相位比较。当触发源选择开关置于内触发时，如果是单踪显示，则仅有本通道信号作为触发源或者线电压作为触发源两种选择。而双踪显示时，则可以任意选择通道1、通道2、线电压之中的一个作为触发源。○1○2○3Y轴偏转板交替接通两路被测信号X轴偏转板锯齿波示波器的荧光屏图1.1.12交替方式实现双踪显示的工作原理○1○2○3○4○5○6LevelSlope:○1○2○3○4○5○6○4○5○6原始输入的两路被测信号○1○2○3Y轴偏转板以固定频率接通两路被测信号X轴偏转板锯齿波示波器的荧光屏图1.1.13断续方式实现双踪显示的工作原理○1○2○3○4○5○6LevelSlope:○1○2○3○4○5○6○4○5○6原始输入的两路被测信号